计算机图形学研究报告.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.37M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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2018 计算机图形学研究报告 AMiner 研究报告第九期清华大学计算机系－中国工程科技知识中心知识智能联合研究中心（ K&I） 2018 年 8 月

1 概述篇目录 1.1 计算机图形学概念 ....................................................................................................................................... 2 1.2 计算机图形学发展历史 ............................................................................................................................... 4 1.3 中国计算机图形学发展 ............................................................................................................................... 6 1.3 计算机图形学著名公司 ............................................................................................................................... 7 2 技术篇 2.1 计算机图形学总体框架 ............................................................................................................................ 11 2.2 计算机图形学研究内容 ............................................................................................................................ 12 2.2.1 建模 ...................................................................................................................................................... 12 2.2.2 动画 ...................................................................................................................................................... 14 2.2.3 渲染 ...................................................................................................................................................... 15 2.2.4 图形交互 ............................................................................................................................................. 18 2.3 计算机图形学相关技术算法 .................................................................................................................... 21 2.3.1 OpenGL ............................................................................................................................................... 21 2.3.2 二维图形变换 ..................................................................................................................................... 21 2.3.3 三维图形变换 ..................................................................................................................................... 21 3 人才篇 3.1 领军人物 ..................................................................................................................................................... 26 3.2 中坚力量 ..................................................................................................................................................... 30 3.3 领域新星 ..................................................................................................................................................... 33 4 会议篇 4.1 2018 SIGGRAPH 中国学生发表的论文 ................................................................................................ 39 5 应用篇 5.1 计算机图形学的应用 ................................................................................................................................. 43 6 趋势篇 6.1 计算机图形学的发展趋势 ........................................................................................................................ 47

图表目录图 1 计算机图形学发展历史 ............................................................................................................................ 4 图 2 Ivan E. Sutherland ................................................................................................................................... 5 图 3 计算机图形学总体框架 .......................................................................................................................... 11 图 4 计算机图形学技术起源 ......................................................................................................................... 12 图 5 栅格化 ...................................................................................................................................................... 16 图 6 栅格化的本质 .......................................................................................................................................... 17 图 7 光线投射流程 .......................................................................................................................................... 17 图 8 photoshop 网格线 ............................................................................................................................... 18 图 9 方向约束示意图 ...................................................................................................................................... 19 图 10 引力场示意图 ....................................................................................................................................... 19 图 11 拖动 ........................................................................................................................................................ 19 图 12 计算机图形学全球学者分布图 .......................................................................................................... 24 图 13 计算机图形学各国人才顺逆差图 ...................................................................................................... 24 图 14 计算机图形学学者 h-index 统计...................................................................................................... 25 图 15 计算机图形学学者男女比 ................................................................................................................... 25 图 16 计算机图形学学者中国分布图 .......................................................................................................... 25 图 17 《阿凡达》 ............................................................................................................................................ 43 图 18 游戏人物绘制......................................................................................................................................... 44 表 1 图形和图像辨析 ......................................................................................................................................... 2 表 2 图像处理&计算机视觉&计算机图形学对比 ........................................................................................ 3 表 3 几何计算在计算机图形学中的作用 ..................................................................................................... 12 表 4 三维空间模型及构模方法比较 ............................................................................................................. 13

摘要计算机图形学是计算机科学领域的重要研究方向之一，图形学技术也在社会生活和生产的各个领域得到应用。本研究报告对计算机图形学进行了简单梳理，包括以下内容：计算机图形学概念。首先介绍计算机图形学的定义，接着对计算机图形学的发展历程进行梳理，对我国计算机图形学现状进行介绍。计算机图形学研究情况。对计算机图形学的主要研究内容，包括建模、动画、渲染和图形交互以及计算机图形学的相关技术算法进行介绍。计算机图形学领域专家介绍。利用 AMiner 大数据对计算机图形学领域专家进行深入挖掘，对国内外计算机图形学的学者进行介绍。计算机图形学的应用及趋势预测。计算机图形学在现实生活中应用广泛，目前的应用集中在影视制作、游戏制作、虚拟现实、仿真技术、科学计算可视化和计算机辅助设计与制造等领域，在介绍相关应用的基础上，对计算机图形学未来的发展趋势做出了相应的预测。

1 summary 概述篇 1

1. 概述篇 1.1 计算机图形学概念（1）什么是计算机图形学？（Computer Graphics）关于计算机图形学的定义众说纷纭。IEEE 对计算机图形学的定义为：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer。国际标准化组织 ISO 将计算机图形学定义为：计算机图形学是一门研究通过计算机将数据转换成图形，并在专门显示设备上显示的原理方法和技术的学科。它是建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基础上的一门边缘学科。总而言之计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科，这里的图形是指三维图形的处理。（2）相关概念辨析表 1 图形和图像辨析图形（graphic）图像（image）数据来源虚拟世界客观世界几何变换、裁剪、隐藏线和隐藏面消除、明暗处图像变换、图像增强、图像分割、图像理处理方法理、纹理生成等解、图像识别等理论基础仿射与透视变换、样条几何、计算几何、分形等数字信号处理、概率与统计、模糊数学等用途计算机艺术、计算机模拟、计算机动画等遥感、医学、工业、航天航空、军事等  计算机图形学&图像处理&计算机视觉计算机图形学（computer graphics）的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造图形。图形是人们通过计算机设计和构造出来的，不是通过摄像机、扫描仪等设备输入的图像。这里的图形可以是现实中存在的图形，也可以是完全虚拟构造的图形。以矢量图的形式呈现，更强调场景的几何表示，记录图形的形状参数与属性参数。例如，工程图纸 (drawing)，其最基本的图形单元是点、线、圆/弧等，其信息包含图元的几何信息与属性信息(颜色、线型、线宽等显式属性和层次等隐式属性)。图像处理（image processing）则是研究图像的分析处理过程，图像处理研究的是图像增加、模式识别、景物分析等，研究对象一般为二维图像。图像以点阵图形式呈现，并记录每个点的灰度或色彩。例如，照片、扫描图片和由计算机产生的真实感和非真实感图·形等，最基本的图像单元（pels，picture elements）是点—像素（pixel），其信息实际上是点与它的属性信息(颜色、灰度、亮度等)。计算机视觉（computer vision）包括获取、处理、分析和理解图像或者更一般意义的真实世界的高维数据方法，它的目的是产生决策形式的数字或者符号信息。 2

计算机图形学和计算机视觉是同一过程的两个方向。计算机图形学将抽象的语义信息转化成图形，计算机视觉则从图形中提取抽象的语义信息，图像处理研究的则是一个图像或一组图像之间的相互转化和关系，与语义信息无关。下表从输入和输出的角度对三者的区别进行辨析：表 2 图像处理&计算机视觉&计算机图形学对比 input output image knowledge image 图像处理计算机图形学 knowledge 计算机视觉 —— 计算机图形学，输入的是对虚拟场景的描述，通常为多边形数组，而每个多边形由三个顶点组成，每个顶点包括三维坐标、贴图坐标、RGB 颜色等。输出的是图像，即二维像素数组。计算机视觉，输入的是图像或图像序列，通常来自相机、摄像头或视频文件。输出的是对于图像序列对应的真实世界的理解，比如检测人脸、识别车牌。图像处理，输入的是图像，输出的也是图像。Photoshop 中对一副图像应用滤镜就是典型的一种图像处理。常见操作有模糊、灰度化、增强对比度等。尽管三者所涉及的都是运用计算机来处理对象，但是长期以来却是属于不同技术领域，近些年来，随着多媒体技术、计算机动画以及三维数据场显示技术等的迅速发展，计算机图形学、图像处理和计算机视觉结合日益紧密，并且相互渗透。例如，三维游戏为了增加表现力会叠加全屏的后期特效，原理就是数字图像处理，只是将计算量放在了显卡端；计算机视觉对需要识别的照片进行预处理也是运用了数字图像处理技术；最明显的是增强现实（AR），用数字图像处理技术进行预处理，用计算机视觉技术进行跟踪物体的识别与姿态获取，用图形学技术进行虚拟三维物体的叠加和显示。 3

1.2 计算机图形学发展历史图 1 计算机图形学发展历史 20 世纪 50 年代：1950 年，美国 MIT 的旋风一号（whirlwind I）计算机配备了世界上第一台显示器——阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形，使得计算机摆脱了纯数值计算的单一用途，能够进行简单的图形显示，从此计算机具有了图像显示功能，但是还不能对图形进行交互操作，这时的计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为“被动式”图形学。 50 年代末期，MIT 的林肯实验室在“旋风”计算机上开发 SAGE（Semi－Automatic Ground Environment System）空中防御体系。SAGE 于 1957 年投入试运行，已经能够将雷达信号转换为显示器上的图形并具有简单的人机交互功能，操作者使用光笔点击屏幕上的目标即可获得敌机的飞行信息，这是人类第一次使用光笔在屏幕上选取图形。1959 年，麻省理工学院林肯实验室第一次使用了具有指挥和控制功能的 CRT，“被动式”图形学开始迈向交互式计算机图形学。 20 世纪 60 年代：1962 年美国 MIT 林肯实验室的 Ivan E.Sutherland 发表了一篇题为 “sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，首次使用了“Computer Graphics” 这一概念，证明了交互式计算机图形学是一个可行的、有应用价值的研究领域，从而确立了计算机图形学正式成为一个独立学科的分支。1968 年 Ivan E. Sutherland 又发表了《头戴式三维显示器》的论文，在头盔的封闭环境下，利用计算机成像的左右视图匹配，生成立体场景，使人置身于虚拟现实中。Ivan E. Sutherland 为计算机图形学技术做出了巨大的贡献，被 4

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